HỌC VIỆN CÔNG NGHỆ BƯU CHÍNH VIỄN THÔNG
Vũ Thành Nam
MOT SO VAN ĐÈ TRONG XÁC ĐỊNH BANG THONG
VA THIET KE DUONG TRUYEN THONG TIN VE TINH
Chuyên ngành: Kỹ thuật viễn thông
Mã số: 60.52.70.08
TOM TAT LUẬN VĂN THẠC SĨ
HÀ NỘI - 2014
Luận văn được hoàn thành tại:
HỌC VIỆN CÔNG NGHỆ BƯU CHÍNH VIỄN THÔNG
Người hướng dẫn khoa học: - 5-5-2:
Phản biện 1:
Phản biện 2:_ -.c c2 S21 vn SH vs v*
Luận văn sẽ được bảo vệ trước Hội đồng chấm luận văn thạc sĩ tại Học viện Công nghệ Bưu chính Viễn thông
Vào lúc: giờ ngày tháng năm
Có thể tìm hiểu luận văn tại:
- Thư viện của Học viện Công nghệ Bưu chính Viễn thông
Trang 2MỞ ĐẦU
Thông tin vệ tinh là kết quả nghiên cứu của hai lĩnh vực công
nghệ truyền thông và không gian vũ trụ cho phép sử dụng hệ thống
vệ tinh địa tĩnh (GSO) vào cung cấp các dịch vụ viễn thông tới khắp
nơi trên bề mặt trái đất [4], [8], [10] Việc đưa hai vệ tỉnh Vinasat 1
và Vinasat 2 vào cùng hoạt động trong thời gian ngắn chứng tỏ
những tiềm năng lớn trong việc sử dụng phương tiện truyền tin qua
không gian Dé đáp ứng nhu cầu khai thác những ưu điểm và lợi thé
của hệ thống vệ tinh dia tinh cần xây dựng mạng lưới thông tin trạm mặt đất có thiết kế phù hợp với các mục đích khác nhau [1], [2], [5] [8].
Thiết kế đường truyền thông tin trạm mặt đất - vệ tinh là một
nhiệm vụ có ý nghĩa đầu tiên khi quy hoạch xây dựng mạng lưới.
Xác định đúng phương pháp phân tích sẽ đảm bảo tính khoa học và
chính xác Tuy nhiên, các công thức tính toán được công bố trong
các tài liệu về thông tin vệ tinh thường ở dạng tổng quát cho nhiều
loại hệ thống, nhiều thông số đặc trưng của thiết bị chưa được thể
hiện dẫn đến việc tính toán chưa mang tính chính xác cao Trên cơ sở nghiên cứu nguyên lý định cỡ cùng những thông tin về các thiết bị sẽ
cho phép xây dựng quy trình thiết kế có ý nghĩa thực tiễn Từ đó sẽ vận
dụng linh hoạt và tiến tới có thể tự xây dựng chương trình của riêng
mình cho các hệ thống thông tin vệ tinh khác [3], [5], [7] - [13].
Đề tài “Một số vấn đề trong xác định băng thông và thiết kế
đường truyền thông tin vệ tỉnh” được chia thành ba chương với các
nội dung sau:
Chương 1: Cung cấp thông tin về quá trình hình thành va phát triển của vệ tinh nhân tạo gồm các quy luật vật lý chuyển động trong
không gian, các phương pháp đa truy nhập cơ bản cũng như các kỹ
thuật hiện đại được sử dụng và phát triển khi truyền tin qua hệ thống
vệ tinh địa tĩnh Ngoài ra còn đề cập và tìm hiểu một số vấn đề thuộc
sự quản lý quốc tế.
Chương 2: Nội dung tập trung giới thiệu các thiết bị trong phân hệ trạm mặt đất Bên cạnh những thông tin về chức năng, kết nối vật lý giữa các khối thiết bị còn tóm lược những đặc điểm kỹ thuật trong quá trình hoạt động của chúng Đồng thời đưa ra những kiến trúc kết nối giữa các trạm thông tin mặt đất, tìm hiểu một số mô hình kênh truyền được hình thành khi kết hợp câu hình và phương thức đa truy
nhập được trình bày trong chương đầu tiên.
Chương 3: Tập trung vào bài toán xác định băng thông trong
mối liên hệ với phương pháp thiết kế đường truyền vệ tỉnh - trạm mặt đất Nghiên cứu phương pháp thiết kế, phân tích quy trình tính
toán để tìm ra những công thức thể hiện mối liên hệ chặt chẽ giữa
các thông số đầu vào và đầu ra Từ đó có thể xây dựng chương trình
thiết kế có tính ứng dụng cao.
Do đề tài liên quan đến nhiều nội dung cần có những nghiên cứu chuyên sâu nên các phần được trình bày tóm lược với những thông tin chính, khuyến nghị có sự cập nhật cùng chú thích rõ ràng.
Hà Nội, ngày 19 tháng 8 năm 2014
Trang 3CHƯƠNG 1: CƠ SỞ VE THễNG TIN VỆ TINH
1.1 Giới thiệu
Vệ tỉnh cung cấp một số tớnh năng khụng sẵn cú trong cỏc hệ
thống truyền thụng khỏc bởi vệ tỉnh hoạt động trong khụng gian ở
cỏc quỹ đạo khỏc nhau Chương đầu tiờn giới thiệu về những quy luật chuyển động của thực thộ đặt trong khụng gian, cỏc phõn hệ trong hệ thống thụng tin vệ tỉnh cựng những kỹ thuật đa truy nhập, là
những sở cứ khoa học làm tiền đề cho cỏc nghiờn cứu tiếp sau Kết
quả phõn tớch đối với từng phương phỏp gúp phần cung cấp những thụng tin chỉ tiết cho phộp việc lựa chọn cụng nghệ phự hợp với mục đớch và xu thế phỏt triển của loại hỡnh truyền tin này.
1.2 Lịch sử ra đời thụng tin vệ tinh, vệ tinh địa tinh
1.2.1 Lịch sử ra đời
1.2.2 Cỏc định luật Kepler1.2.3 Quỹ dao vệ tinh
Vệ tinh hoạt động tai một trong bốn quỹ đạo như trong hỡnh 1.1.
Quỹ đạo địa nh Quỹ đạo thấp.
(GSO hoặc GEO) (LEO)
Hỡnh 1.1: Cỏc quỹ đạo vệ tỉnh nhõn tạo
1.2.4 Cỏc phõn hệ trong hệ thụng thụng tin vệ tinh
1.2.4.1 Phõn hệ khụng gian
1.2.4.2 Phõn hệ mặt dat
1.3 Phương phỏp đa truy nhập
1.3.1 Cau hỡnh da truy nhập
Da truy nhập (MA) là quỏ trỡnh phổ biến bảo đảm việc sử dụng
dung lượng thớch hợp và độ khả dụng của đường truyền [10, tr.267 -295] Xem xột bốn cầu hỡnh SCPC, MCPC như trong hỡnh 1.2.
BB —— Canier —b>
(a) đỡ
Single channel per cartier Multiple channels per carrier
‘Single camier par transponder Mutiple carriers per transponder
Mutiple channels per carrier Multiple channels per carrierSingle camer par transponder Mulipio carriers per transponder
Hỡnh 1.2: Cấu hỡnh truy nhập
1.3.2 Phương phỏp da truy nhập cơ bản
1.3.2.1 Đa truy nhập phõn chia theo tần số FDMA.
Là phương phỏp được mụ tả trong hỡnh 1.3 Mỗi trạm mặt đất
được phõn bộ băng con b trong toàn dai băng tần B của bộ phỏt đỏp.
Việc phõn bổ phải đảm bảo tương thớch với băng thụng súng mang phụ thuộc vào tốc độ bit, loại điều chế và mó sửa lỗi đường truyền.
Trang 4tan số + _ Mỗi trạm được ấn
sing) (Ss nh một bang tân
Băng 2 { Trạm 2 + ˆ Các tram thu phd
1.3.2.2 Đa truy nhập phân chia theo thời gian TDMA
Là kỹ thuật xuất hiện thứ hai sau FDMA được biéu diễn trong
hình 1.4, các sóng mang được phân cách bởi thời gian trong bộ phát
đáp thay vì tần số như trong FDMA.
tân số +
+ _ Mỗi trạm được gần một.
_ time slot đường lên cho
2 các cum burst (packet)+ Các cụm burst được
xếp xen kẽ nhau trênđường truyền xuống
Slott, Stott, Stott,
chỉcho truyén dẫn số Ñ
Tram2 ® N tê Đường xuống
Tram 3
Hinh 1.4: Da truy nhip TDMA
Xem xét hệ thống PCM/TDM/PSK/TDMA ở hai khía cạnh
hiệu suất khung và dung lượng hệ thống.
1.3.2.3 Đa truy nhập phân chia theo mã CDMA.
Là sự kết hợp của cả sự phân tách tần số và thời gian Đây là kỹ
thuật phức tạp nhất khi thực hiện, yêu cầu một vài mức đồng bộ ở cả
phía thu và phát.
«| i va TDMA
+ Mỗi tam đường xuống là một
sing? { mm time slot và một bang tân
trong day mã hóa
Săng t[ m m + Bộthu phải biết mã dé nhận
1.3.2.4 Phương pháp đa truy nhập thứ yếu
Bên cạnh những phưng thức đa truy nhập cơ bản, hệ thống thông tin vệ tỉnh còn sử dụng các kỹ thuật truy nhập thứ yếu dựa trên
các kỹ thuật cơ bản trên [8, mục 1.6.3 và 4.6.4; 10, chương 10].
¢ Đa truy nhập ấn định theo yêu cầu (DAMA)
e Đa truy nhập phân chia không gian (SDMA)
© Đa truy nhập phân chia theo thời gian chuyển mạch vệ tinh
(SS/TDMA)
Trang 5Cơ sở về thông tin vệ tỉnh tóm lược những thông tin về quy luật
vật lý áp dụng các quỹ đạo chuyên động của vệ tỉnh nhân tạo, các
loại cấu hình kênh sóng mang được hỗ trợ bằng những phương thức
truyền tin lên bộ phát đáp Tìm hiểu các kỹ thuật đa truy nhập thứ
yếu được áp dụng vào hệ thống vệ tinh địa nh hiện đại Bên cạnh việc đề cập các dịch vụ cung cấp bởi hệ thống vệ tỉnh trong sự kết
hợp băng tần được quy định bởi tô chức viễn thông quốc tế Chương
mở đầu cũng xem xét chức năng, nhiệm vụ thiết yếu của hai phân hệ
không gian và mặt đất Đặc biệt hơn, phân hệ mặt đất sẽ được nghiên
cứu chỉ tiết trong chương 2.
CHƯƠNG 2: MẠNG THÔNG TIN VỆ TINH VSAT
2.1 Giới thiệu
Trạm mặt đất gồm các thiết bị được mô tả trong hình 2.1 va
được chuẩn hóa bởi ITU.
Giám sắt Tim mắt thông gió Ì [ — Nguôn,UPS,
Điều khiến ltiếp dja, telecom, va tiện ich
Kiến trúc của trạm VSAT gồm hai khối ODU và IDU được kết nối qua cáp trung tần IDU là giao diện với các đầu cuối người dùng 2.2.1.1 Khối thiết bị ODU
2.2.1.2 Khối thiết bị IDU
2.2.2 Sơ đồ khối, cấu hình và chức năng chính Các phân hệ trong trạm VSAT gồm:
2.2.2.1 Phân hệ anten
Dùng để thu và phát tín hiệu vô tuyến Được đặc trưng bởi tần
số hoạt động, đường kính chảo phát xạ, loại phân cực hỗ trợ, nhiệt tạp âm Ngoài ra còn có thể có các bộ phận hỗ trợ đo bám, gương
phản xạ
Trang 62.2.2.2 LNA
Là thiết bi khuếch đại tap âm thấp đặt ngay sau phân hệ anten, vì vậy có hệ số tạp âm nhỏ Thông số quan trọng là nhiệt tạp âm khi
hoạt động.2.2.2.3 HPA
Là thiết bị khuếch đại công suất lớn Phụ thuộc vào loại trạm
VSAT là remote hay Hub mà hỗ trợ công suất tương ứng Hiện tại có
ba loại khuếch đại dựa trên công nghệ sản xuất khác nhau được sản
xuất cho từng ứng dụng thích hợp gồm: TWTA, Klystron, SSPA 2.2.2.4 Thiết bị viễn thông
2.2.2.5 Thiết bị kết nối với mạng dịch vụ mặt đất
Trong kiến trúc hình lưới, các trạm VSAT có khả năng liên lạc trực tiếp với nhau qua sóng mang vô tuyến như trong hình 2.4.
2.3.2 Mạng hình sao Star
Trong mạng hình sao 2.7, mỗi node chỉ có thể liên lạc với trạm
xử lý trung tâm duy nhất Muốn trao đồi với nhau các trạm dau cuối
phải thực hiện qua hai bước.
VSAT kênh VSAT
Đường truyền từ trạm mặt đất tới trạm Hub qua bộ phát đáp được
gọi là Inbound hoặc Inroute Hướng ngược lại được gọi là Outboundhoặc Outroute.
Trang 72.3.2.1 FDMA - SCPC inbound/FDMA - SCPC outbound2.3.2.2 FDMA - SCPC inbound/FDMA - MCPC outbound
Hinh 2.10: FDMA - SCPC inbound/FDMA - MCPC outbound
2.3.2.3 FDMA - SCPC inbound/TDM - MCPC outboundinbound ‘outbound
LN, Băng thêngbổ phát đáp
LYN NG HH
VSATS (2) & eo of WV
Hình 2.11: FDMA - SCPC inbound/TDM - MCPC outbound
2.3.2.4 FDMA - MCPC inbound/TDM - MCPC outbound2.3.2.5 TDMA inbound/TDM - MCPC outbound
inbound outbound
vsaTs/2\eae |
Hình 2.13: Mang hình sao với TDMA
2.3.2.6 FDMA - TDMA inbound/FDMA - MCPC outbound
Nội dung chương đã giới thiệu khá chỉ tiết các đơn vị trong
phân hệ trạm mặt đất Từ đó sẽ có cái nhìn tổng thể mạng lưới khi
thực hiện lựa chọn sản phẩm đảm bảo yếu tố kỹ thuật Cùng với những thông tin về câu hình và kỹ thuật đa truy nhập kết hợp với những kiến trúc mạng cho phép tạo ra nhiều mô hình kênh truyền
đáp ứng các mục đích sử dụng tài nguyên khác nhau Ngoài ra, luận
văn còn đề cập các thông số cơ bản cho từng chủng loại thiết bị sẽ được nghiên cứu trong nội dung ở chương tiếp theo.
Trang 8CHUONG 3: THIẾT KE MẠNG VSAT
3.1 Giới thiệu
Công tác xác định băng thông kết hợp thiết kế đường truyền vật lý cho trạm VSAT với mục tiêu đảm bảo khả năng thực thi truyền tải
bằng sóng mang vô tuyến ở tần số cao Nghiên cứu tìm ra phương
pháp và nguyên tắc thiết kế đảm bảo tính khoa học và thực tế trên cơ sở nghiên cứu các tài liệu, bài báo chuyên ngành kết hợp với những
hiểu biết về các sản phẩm thực tiễn Chỉ ra đầy đủ các tham số và phân
tích ý nghĩa vật lý thê hiện trong các công thức toán học tham gia tính
toán sẽ giúp tự xây dựng chương trình có tính chính xác thực tiễn.
3.2 Xác định băng thông3.2.1 Dữ liệu sóng mang
Dựa vào nghiên cứu các phương pháp sửa lỗi đường truyền, mã hóa và phương thức điều chế sử dụng trong công nghệ
DVB-S/DVB-S2 xác định cach tính băng thông sóng mang dựa trên dữ liệu người
dùng hoặc tốc độ symbol mà modem hỗ trợ [5, tr.130 - 156; 7, tr.161
3.3 Thiết kế đường truyền vô tuyến
Trên nguyên tắc đánh giá tỉ số giữa công suất tín hiệu và công suất tạp âm ứng với từng dịch vụ có tỉ lệ bit lỗi đặt ra như mô tả
trong hình 3.1, người thiết kế phải xác định các thông số đầu vào
nhằm đưa ra các kết quả ảnh hưởng tới tín hiệu từ nơi phát đến nơi
thu, lựa chọn các thông số tối ưu nhất cho trạm mặt đất, tính toán suy
hao trên đường truyền như suy hao trong không gian, dự đoán suy
hao do mưa Với những kết quả đạt được khi xác định băng thông
cùng với các thông số kỹ thuật của bộ phát đáp vệ tỉnh cho phép xác định các tham số trung gian tham gia vào quá trình thiết kế Mục
đích cuối cùng nhằm chất lượng đường truyền tổng tuyến, mức độ tin
cậy dựa vào độ dự phòng tuyến, từ đó có những thay đồi, điều chỉnh hợp lý mà vẫn đảm bảo được độ tin tưởng cao nhất.
Xác định
yêu câu
cho kết nói vô
tuyến Đối với từng
tuyến lên, tuyến xuống
Hình 3.1: Mô tả nguyên tắc thiết kế đường truyền
Các phép tính dựa trên các tham số hiện diện trên đường
truyền, thông số của vệ tinh cũng như trạm mặt đất sẽ xác định trong ba điều kiện sau [10, tr.241 - 263]:
e CI Sky: trời trong.
© Up Fade: ngoại cảnh tác động đường truyền lên ¢ Dn Fade: ngoại cảnh tác động đường truyền xuống.
3.3.1 Modem
Dựa trên những công nghệ truyền dẫn với các tốc độ bit hỗ trợ,
phương thức điều chế và loại mã sửa lỗi mà các nhà sản xuất modem đưa ra những yêu cau tỉ lệ gói lỗi PER trong dai giá trị nhằm đảm
Trang 9Trường dữ liệu sẽ chứa các thông số sản xuất bộ phát đáp, quỹ
đạo của vệ tinh dé sử dung cho các phép tính xác định góc ngang của anten, suy hao đường truyền, cũng như yêu cầu công suất đối với
trạm mặt đắt
3.3.3 Dữ liệu trạm mặt đất
Dữ liệu trạm mặt đất chứa các thông tin về phân hệ anten cũng như bộ thu của cả nơi phát và nơi thu được lựa chọn từ các thiết bị phù hợp
Nhiệt độ tạp âm hệ thống và hệ số phẩm chất bộ thu trạm thu trong điều kiện trời trong:
Dựa trên các quy ước quốc tế xác định tọa độ trạm mặt đất
phục vụ cho các phép tính liên quan.3.3.5 Suy hao trong không gian
Từ vị trí địa lý trạm mặt đất và vệ tỉnh sẽ xác định khoảng cách
giữa chúng, cho phép tính được suy hao trong không gian tự do Bên
cạnh đó là suy hao qua tầng khí quyền.
3.3.6 Dự đoán suy hao do mưa
Suy hao do mưa được dự đoán dựa trên thông tin cường độ mưa,
khoảng cách tuyến, tần số hoạt động và vị trí địa lý cũng như độ khả
dụng trên mô hình đề xuất bởi ITU và khuyến nghị ITU-R P.618-11 [5,
tr.193 - 204; 10, tr.163 - 176; 12, tr.222 - 233]:
3.3.7 Quỹ đường truyền tuyến lên
Dựa vào giá trị hoạt động của bộ phát đáp xác định yêu cầu
HPA trạm mặt đất đảm bảo chính xác nhất trong cân bằng giữa băng thông sóng mang và đường truyền vô tuyến cho kênh Outbound và
3.3.8 Quỹ đường truyền tuyến xuống
Trong quỹ đường truyền xuống cần quan tâm tới tham số bị
ảnh hưởng trên đường truyền xuống như hệ số phẩm chất bộ thu trạm remote bị suy giảm trong điều kiện trời mưa [8, tr.198 — 203, 233
Dé xác định giá tri C/N của cả tuyến lên và tuyến xuống cần xác
định C/I của tổng các nguồn nhiễu [13, tr.139 - 147; 8, tr.219 - 225]:
3.3.10 Khuéch dai công suất trạm mặt đất
3.4 Xác định băng thông và thiết kế đường truyền trạm VSAT
3.4.1 Phương tiện hỗ trợ
Sử dụng chương trinh Visual Basic kết hợp cùng phần mềm Microsoft Excel dé xây dựng công cụ thiết kế Đối tượng xử lý là các
cell tại các sheet, worksheet trong các workbook khác nhau.
Trang 10View Irser: Format Debug Run
PP Microsoft Visual Basic - PERSONALXLSE - [Module (Ccde)]
Te] [BanamefycaEutror
‘TORM BANG THONG
MO FHONG TINEWith Selection.Validation
Suk Bandwdrh Celculater i!' Bancwicth Calculator Macro
yle:=x1ValidRlert Informa:Alercs:Fermuzad :="=$085:$589"
.Ad# Type:=x1Validareris:Cpera scr: =x2BevseenuBlank = TrueIgnore!nCe11Dzzpd2wn = TruengucTitle = *"
SERSRERE2 Zee cab hee
4n HH 1H aR Tea Baa
3.4.2 Tính toán băng thông
Có thé sử dụng hamSelection Validation trong vòng lặp With -End With để tạo các cửa số thả xuống như trong hình 3.8 và 3.9 cũng
như sử dụng các hàm IF lồng nhau để tạo những phương án dữ liệu
mì Camer Symbol Rate
1) Carrier Info Rate
2 FEC Code Rate
13 Outroute Mode
144, DULIEU —CrrXmission Rate
-16| SONGMANG Threshold Ebt/No
3.4.3 Thiết kế đường truyền
Đường truyền vô tuyến là lớp vật lý trong mô hình chuẩn hóa Thiết kế đường truyền phải đảm bảo chất lượng tín hiệu với tỉ lệ lỗi bít ở mức chấp nhận (cho phép) được đánh giá qua tỉ số công suất sóng mang trên công suất tạp âm tổng tuyến dựa trên dữ liệu đầu vào
là những thông số thiết kế kỹ thuật của phân hệ vệ tinh, thông số của phân hệ anten trạm mặt đất ở cả đầu phát và đầu thu Kết quả thu
được sẽ cho biết độ dự trữ đường truyền nhằm đưa ra công suất yêu cầu đối với thiết bị khuếch đại HPA Các tham số chính được nêu
trong hình 3.10 Do vậy cần liệt kê đầy đủ và phân chia các tham số